安世亚太和中科煜宸针对增材制造工艺仿真中工艺扫描模拟的要求，联合开发了可考虑扫描路径的工艺仿真软件AMProSim-DED。
本期谷.专栏文章，将以此为基础对工艺扫描路径对增材制造仿真精度的重要性进行研究对比。研究在增材制造工艺仿真过程中，不同扫描路径对增材制造过程的温度、应力及变形的影响。
扫描路径模拟的重要性测试
为了研究模拟扫描路径对增材制造工艺仿真的重要性，对一圆环件分别进行逐层堆积与逐圈堆积的增材制造工艺仿真，对比其打印过程中的温度、变形及应力的分布。
图1.变形分布。来源：安世亚太
打印结束后，逐层堆积与逐圈堆积两种方案的工艺仿真，其最大变形相差约37%，最大应力相差17.5%，且逐圈堆积的变形及应力更小，而这与增材制造工艺分区扫描可以降低变形和应力的经验趋势是一致的，说明考虑工艺路径可以获得更好的工艺仿真精度。
图2.应力分布。来源：安世亚太
由此可见，在增材制造工艺仿真中，扫描路径很关键，精细的路径模拟可以极大提高仿真精度。而市场上的工艺仿真软件无论采用固有应变算法，还是热力耦合算法，大多数不考虑工艺扫描策略，而是逐层堆积，即使考虑工艺扫描策略，也过于简单，或只能分区，或不能与工艺规划数据提供接口， 无法真实模拟扫描路径的影响。因此，需要进行考虑扫描策略的增材制造工艺仿真。
考虑扫描策略的增材制造工艺仿真
为了进行考虑扫描策略的增材制造工艺仿真，首先需要研究扫描策略的路径及其数据格式。各个打印厂商采用不同的路径规划软件，路径规划软件形成的路径文件格式各不相同，基本含有以下信息：切片厚度、热源功率及其状态、扫描速度、间距、路径类型及其路径点坐标、停留时间等信息，以便于用于打印机识别。
但路径规划软件输出的扫描路径信息并不利于工艺仿真直接使用，因此需要进行数据转换，需将原有数据格式转换为仿真可以读取的路径数据表，将描述扫描路径热源功率及其状态、扫描速度、路径坐标点及其停留时间。
图3.路径规划转换前后：蛇形扫描示例。来源：安世亚太
最后，基于转化后的扫描路径，采用ANSYS单元生死技术依次激活成型材料来模拟增材制造过程随时间变化的热传递过程；并在瞬态热分析的基础上，通过热应力耦合分析来进行变形以及应力的分析。
为了面向工程应用及普遍适用性，安世亚太与中科煜宸联合开发的考虑扫描路径的专业增材制造工艺仿真软件AMProSim-DED。AMProSim-DED可以考虑温度相关的材料非线性属性，基于工艺文件的运动路径信息，模拟增材制造工艺的材料堆积过程，可以详细模拟零件分区、打印路径以及熔融冷却的相变过程对增材制造过程的影响，预测增材制造过程中的温度、应力和变形，优化工艺参数，从而保证3D打印质量和打印效率，避免低效的试错过程。
应用案例：圆环件增材制造工艺仿真分析
基于以上扫描路径的转化，对一圆环件进行不同扫描策略的研究：
- 模型：内径30mm，壁厚3mm，轴向高度15mm
- 材料：316L
- 工艺：激光功率1200W；扫描速度10mm/s；层厚0.3mm
扫描策略：
- 扫描策略1：环向扫描
- 扫描策略2：单向扫描
- 扫描策略